大學(xué)物理實驗3霍爾效應(yīng)

1、大學(xué)物理實驗教案 實驗名稱霍爾效應(yīng)教學(xué)時數(shù)4學(xué)時教學(xué)目的和要求1、了解霍爾效應(yīng)原理。2、了解霍爾電勢差V與霍爾元件工作電流之間的關(guān)系，了解霍爾電勢差V與勵磁電流之間的關(guān)系。3、學(xué)習(xí)用“對稱交換測量法”消除負效應(yīng)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。4、學(xué)習(xí)利用霍爾效應(yīng)測量磁感應(yīng)強度B的原理和方法。教學(xué)重點1、霍爾效應(yīng)原理。2、對稱交換測量法消除負效應(yīng)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。3、用霍爾元件測量磁場的原理和方法。教學(xué)難點1、用霍爾元件測量磁場的原理和方法。2、霍爾電壓測量時產(chǎn)生附加電壓的消除方法教學(xué)內(nèi)容1、真空中載流長直螺線管內(nèi)部的磁感應(yīng)強度為。2、 霍爾效應(yīng)一通電薄條在電場垂直方向加一磁場，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在電場與磁場都垂直的方向上

2、會出現(xiàn)一個電場。 3 霍爾電壓的測量 實際測量時所測的電壓不是，還包括其它因素帶來的附加電壓：（1）不等勢電壓VO， （2）厄廷豪森效應(yīng)VE，（3）能斯脫效應(yīng)VN， （4）里記勒杜克效應(yīng)VRL，我們可通過改變IS、B的方向的辦法，使在不同的測量條件下抵消這些因素的影響。教學(xué)方法教師講解教學(xué)內(nèi)容，明確其重點和難點，然后實際演示操作要點。教學(xué)手段學(xué)生操作，隨堂檢查操作情況。根據(jù)學(xué)生的操作情況將容易犯錯的問題做重點提示，學(xué)生可以根據(jù)操作中遇到的具體問題個別提問。時間分配第一次課講授30分鐘，學(xué)生操作70分鐘，做霍爾效應(yīng)。第二次課做測量螺線管磁場部分。板書設(shè)計實驗?zāi)康?、實驗原理、測量關(guān)系式、數(shù)據(jù)處理提

3、示。主要參考資料1、楊述武等，普通物理實驗（第四版）M. 北京：高等教育出版社，2007.2、鄭庚興，大學(xué)物理實驗M. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻出版社，2004.3、黃水平，大學(xué)物理實驗M. 北京：機械工業(yè)出版社，2012.4、徐揚子，丁益民，大學(xué)物理實驗M. 北京：科學(xué)出版社，2006.5、李蓉，基礎(chǔ)物理實驗教程M. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2008.實驗名稱：霍爾效應(yīng)實驗?zāi)康模?、了解霍爾效應(yīng)原理。2、了解霍爾電勢差V與霍爾元件工作電流之間的關(guān)系，了解霍爾電勢差V與勵磁電流之間的關(guān)系。3、學(xué)習(xí)用“對稱交換測量法”消除負效應(yīng)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。4、學(xué)習(xí)利用霍爾效應(yīng)測量磁感應(yīng)強度B的原理和方法。實

4、驗儀器：TH-H霍爾效應(yīng)實驗儀 TH-H霍爾效應(yīng)測試磁場測試儀實驗原理：一、霍爾效應(yīng)原理若將通有電流的導(dǎo)體置于磁場之中，磁場（沿z軸）垂直于電流（沿x軸）的方向，如圖所示，則在導(dǎo)體中垂直于和的方向上出現(xiàn)一個橫向電勢差，這個現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 ISEH+FB+-zyxACCAbd 這一效應(yīng)對金屬來說并不顯著，但對半導(dǎo)體非常顯著。利用霍爾效應(yīng)可以測定載流子濃度、載流子遷移率等重要參數(shù)，是判斷材料的導(dǎo)電類型和研究半導(dǎo)體材料的重要手段。還可以用霍爾效應(yīng)測量直流或交流電路中的電流強度和功率，以及把直流電流轉(zhuǎn)成交流電流并對它進行調(diào)制、放大。用霍爾效應(yīng)制作的傳感器廣泛用于磁場、位置、位移、轉(zhuǎn)速的測量。 霍爾

5、電勢差產(chǎn)生的本質(zhì)，是當(dāng)電流通過霍爾元件（假設(shè)為型，即導(dǎo)電的載流子是空穴。）時，空穴有一定的漂移速度v，垂直磁場對運動電荷產(chǎn)生一個洛侖茲力 （1）式中為載流子電荷。洛淪茲力使載流子產(chǎn)生橫向的偏轉(zhuǎn)，由于樣品有邊界，所以有些偏轉(zhuǎn)的載流子將在邊界積累起來，產(chǎn)生一個橫向電場E，直到電場對載流子的作用力FE=qE與磁場作用的洛淪茲力相抵消為止，即 （2）這時載流子在樣品中流動時將不偏轉(zhuǎn)地通過霍爾元件，霍爾電勢差就是由這個電場建立起來的。如果是型樣品，即導(dǎo)電的載流子是電子，則橫向電場與前者相反，所以型樣品和型樣品的霍爾電勢差有不同的符號，據(jù)此可以判斷霍爾元件的導(dǎo)電類型。設(shè)型樣品的載流子濃度為，寬度為，厚度為

6、。通過樣品電流，則空穴的速度，代入（2）式有 （3）上式兩邊各乘以，便得到 （4）霍爾電壓（、之間電壓）與、的乘積成正比，與霍爾元件的厚度成反比，比例系數(shù)，稱為霍爾系數(shù)。它是反映材料霍爾效應(yīng)強弱的重要參數(shù)。 （5）在應(yīng)用中一般寫成 （6）比例系數(shù)，稱為霍爾元件靈敏度，單位為mV/(mA·T)。一般要求愈大愈好。與載流子濃度成反比，半導(dǎo)體內(nèi)載流子濃度遠比金屬載流子濃度小，所以選用半導(dǎo)體材料作為霍爾元件。與片厚成反比，所以霍爾元件都做的很薄，一般只有0.2mm厚。由（4）式可以看出，知道了磁感應(yīng)強度，只要分別測出傳導(dǎo)電流及霍爾電勢差，就可算出霍爾系數(shù)和霍爾元件靈敏度。二、由確定以下參數(shù)（

7、1）由的符號（或霍爾電壓的正負）判斷樣品的導(dǎo)電類型。判斷的方法是按圖所示的和的方向，若測得的>0,（即電流流入端電勢高于流出端的電勢），則為正，樣品屬型，反之則為型。（2） 由求載流子濃度，即。應(yīng)該指出，這個關(guān)系是假定所有載流子都具有相同的漂移速度得到的（嚴格一點，應(yīng)考慮載流子的速度統(tǒng)計分布，在若磁場下應(yīng)引入一個修正因子）。（3）結(jié)合電導(dǎo)率的測量，求載流子的遷移率。電導(dǎo)率可以通過圖6-1所示的、（或、）電極進行測量。設(shè)、間的距離為，樣品的橫截面積為，流過樣品的電流為。在零磁場下，若測得、間的電壓為（ 即），可由下式求得。 （6-7）根據(jù)材料的電導(dǎo)率關(guān)系，即，或者，測出值即可求。式中為載流

8、子的遷移率，即單位電場下載流子的運動速度。一般電子的遷移率比空穴遷移率大，所以霍爾元件多采用型材料。三、霍耳元件副效應(yīng)的影響及其消除1霍耳元件的副效應(yīng)在研究固體導(dǎo)電過程中，繼霍耳效應(yīng)之后不久又發(fā)現(xiàn)了厄廷豪森（Etinghausen）、能斯特（Nernst）和里紀勒杜克（Righi-Ledue）效應(yīng)，它們都歸屬于熱磁效應(yīng)。 （1）厄廷豪森效應(yīng)1887年厄廷豪森發(fā)現(xiàn)，由于載流子的速度不相等，它們在磁場的作用下，速度大的受到洛侖茲力大，繞大圓軌道運動；速度小的則繞小圓軌道運動，這樣導(dǎo)致霍耳元件的一端較另一端具有較多的能量而形成一個橫向的溫度梯度。因而產(chǎn)生溫差電效應(yīng)，形成電勢差，記為。其方向決定于和磁

9、場B的方向，并可判斷與始終同向（2）能斯特效應(yīng)由于輸入電流端引線的焊接點a、b處的電阻不相等，通電后發(fā)熱程度不同，使a和b兩端之間存在溫度差，于是在a和b之間出現(xiàn)熱擴散電流。在磁場的作用下，在c、e兩端出現(xiàn)了橫向電場，由此產(chǎn)生附加電勢差，記為。其方向與無關(guān)，只隨磁場方向而變。（3）里紀勒杜克效應(yīng)由于熱擴散電流的載流子的遷移率不同，類似于厄廷豪森效應(yīng)中載流子速度不同一樣，也將形成一個橫向的溫度梯度，以產(chǎn)生附加電勢差，記為。其方向只與磁場方向有關(guān)，且與同向。2不等勢電勢差 不等勢電勢差是由于霍耳元件的材料本身不均勻，以及電壓輸入端引線在制作時不可能絕對對稱地焊接在霍耳片的兩側(cè)所引起的，如圖所示。因

10、此，當(dāng)電流流過霍耳元件時，在電極3、4之間也具有電勢差，記為，其方向只隨方向不同而改變，與磁場方向無關(guān)。3副效應(yīng)的消除根據(jù)以上副效應(yīng)產(chǎn)生的機理和特點，除外，其余的都可利用異號法消除其影響，因 圖2 能斯特效應(yīng) 圖3 不等勢電勢差而需要分別改變和B的方向，測量四組不同的電勢差，然后作適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，而得到。取、測得取、測得取、測得取、測得消去、和得因，一般可忽略不計，所以 （7）本實驗要利用霍爾效應(yīng)測量長直螺線管軸線上的磁感應(yīng)強度。實驗內(nèi)容1、 掌握儀器性能，連接測試儀與實驗儀各組之間的連線（1）開關(guān)機前，測試儀的“IS調(diào)節(jié)”和“IM調(diào)節(jié)”旋鈕均置零位（即逆時針旋到底）。（2）連接測試儀和實驗儀之間各組的連線。2、繪VHIS曲線將測試儀的“功能切換”置VH，取IM=0.600A，分別取IS=0.50,1.00,1.50，2.00,2.50,3.00mA，依次測量+IS, +B；+IS,B；IS,B；IS, +B相應(yīng)的VH,值。 3、測繪VHIM曲線保持IS值不變（取IS=2. 00mA），分別取IM=0.100,0.200，0.300，0.400,0.500，0.600A，依次測量+IS, +B；+IS,B；I